До недавнего времени считалось, что в состав железного внутреннего ядра Земли, скорее всего, не входит кислород. Но в новом эксперименте ученым удалось смоделировать экстремальные условия этой среды и получить богатый железом сплав Fe-O, способный существовать при температуре выше 2700 градусов Цельсия и давлении 300 гигапаскалей.
Кислород, который необходим для жизни большинства существ, является одним из самых распространенных химических элементов на Земле. Однако до сих пор оставалось загадкой, присутствует ли он во внутреннем ядре нашей планеты, которое почти полностью состоит из железа. Если да, то в какой форме существует кислород в условиях экстремально высоких температуры и давления?
Теперь ученые из Центра перспективных исследований в области науки и техники высокого давления (Китай) и Колумбийского университета показали, что богатые железом сплавы Fe-O остаются стабильными при давлении практически 300 гигапаскалей (примерно три миллиона атмосфер) и температуре выше 2700 градусов Цельсия. Результаты исследования, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может содержаться в твердом внутреннем ядре нашей планеты.
Внутреннее ядро Земли остается одним из самых загадочных мест на планете. Давление в нем может достигать 360 гигапаскалей, а температура доходить до 5400 градусов по Цельсию, практически как на поверхности Солнца. Поскольку ядро находится далеко за пределами досягаемости человека, ученые могут сделать вывод о его плотности и химическом составе только по косвенным сейсмическим сигналам.
Считается, что в ядре могут быть легкие элементы, но вопрос об их типе и концентрации остается спорным. Космохимические и геохимические данные указывают на то, что ядро должно содержать серу, кремний, углерод и водород. Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов.
Но присутствие кислорода в ядре обычно исключается. Это в основном связано с тем, что богатые железом сплавы Fe-O никогда не обнаруживались на поверхности или в мантийных средах. Хотя ученые пытались синтезировать соединения оксида железа с богатым железом составом, такие вещества до сих пор не обнаружены.
Для аппроксимации температуры и давления ядра Земли в эксперименте авторы новой работы поместили железо и оксид железа на две алмазные наковальни и нагрели их высокоэнергетическим лазерным лучом. Оказалось, что химическая реакция между этими веществами происходит при давлении свыше 220-260 гигапаскалей и температуре 2700 градусов по Цельсию.
Теоретический поиск кристаллической структуры полученного железосодержащего сплава Fe-O показал, что он может стабильно существовать в условиях ядра Земли. При этом новые сплавы Fe-O образуют гексагональную плотноупакованную структуру, в которой слои кислорода располагаются между слоями железа и стабилизируют структуру. Этот механизм создает несколько плотно упакованных слоев. Дополнительные расчеты показали, что богатые железом сплавы Fe-O являются металлическими, в отличие от обычных оксидов железа, при низких давлениях.
